Fil fait de nanofils de niobium, vu ici dans une image au microscope électronique à balayage (arrière-plan), peut être utilisé pour fabriquer des supercondensateurs très efficaces, Des chercheurs du MIT ont découvert. Ajout d'un revêtement d'un polymère conducteur au fil (représenté en rose, en médaillon) augmente encore la capacité de charge du condensateur. Les ions positifs et négatifs dans le matériau sont représentés par des sphères bleues et rouges.
Les appareils électroniques portables pour la surveillance de la santé et de la condition physique sont un domaine en croissance rapide de l'électronique grand public; l'une de leurs plus grandes limitations est la capacité de leurs minuscules batteries à fournir suffisamment de puissance pour transmettre des données. Maintenant, des chercheurs du MIT et du Canada ont trouvé une nouvelle approche prometteuse pour fournir les rafales de puissance courtes mais intenses nécessaires à de si petits appareils.
La clé est une nouvelle approche pour fabriquer des supercondensateurs, des dispositifs qui peuvent stocker et libérer de l'énergie électrique dans de telles rafales, qui sont nécessaires pour de brèves transmissions de données à partir d'appareils portables tels que des moniteurs de fréquence cardiaque, des ordinateurs, ou smartphone, disent les chercheurs. Ils peuvent également être utiles pour d'autres applications où une puissance élevée est nécessaire dans de petits volumes, comme les microrobots autonomes.
La nouvelle approche utilise des fils, constitué de nanofils de l'élément niobium, comme les électrodes dans de minuscules supercondensateurs (qui sont essentiellement des paires de fibres électriquement conductrices avec un isolant entre elles). Le concept est décrit dans un article de la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS par le professeur de génie mécanique du MIT Ian W. Hunter, doctorant Seyed M. Mirvakili, et trois autres à l'Université de la Colombie-Britannique.
Les chercheurs en nanotechnologie ont travaillé pour augmenter les performances des supercondensateurs au cours de la dernière décennie. Parmi les nanomatériaux, les nanoparticules à base de carbone, telles que les nanotubes de carbone et le graphène, ont montré des résultats prometteurs, mais ils souffrent d'une conductivité électrique relativement faible, dit Mirvakili.
Dans ce nouveau travail, lui et ses collègues ont montré que les caractéristiques souhaitables pour de tels dispositifs, comme une densité de puissance élevée, ne sont pas propres aux nanoparticules à base de carbone, et que le fil de nanofil de niobium est une alternative prometteuse.
"Imaginez que vous ayez une sorte de système de surveillance de la santé portable, " Hunter dit, "et il doit diffuser des données, par exemple en utilisant le Wi-Fi, sur une longue distance." Pour le moment, les piles bouton utilisées dans de nombreux petits appareils électroniques ont une capacité très limitée à fournir beaucoup d'énergie à la fois, c'est ce dont ces transmissions de données ont besoin.
Seyed Mirvakili, auteur principal de l'article décrivant les supercondensateurs au niobium, examine un brin du matériau en laboratoire. Crédit :Craig Cheney
"Le Wi-Fi longue distance nécessite une bonne quantité d'énergie, " dit Chasseur, le professeur George N. Hatsopoulos en thermodynamique au département de génie mécanique du MIT, "mais il peut ne pas être nécessaire pour très longtemps." Les petites batteries sont généralement mal adaptées à de tels besoins en énergie, il ajoute.
"Nous savons que c'est un problème rencontré par un certain nombre d'entreprises dans le domaine de la surveillance de la santé ou de la surveillance de l'exercice. Une alternative consiste donc à opter pour une combinaison d'une batterie et d'un condensateur, " Hunter dit :la batterie pour le long terme, fonctions basse consommation, et le condensateur pour de courtes rafales de haute puissance. Une telle combinaison devrait être capable soit d'augmenter la portée de l'appareil, ou—peut-être plus important sur le marché—pour réduire considérablement les exigences de taille.
Le nouveau supercondensateur à base de nanofils dépasse les performances des batteries existantes, tout en occupant un très petit volume. "Si vous avez une Apple Watch et que j'économise 30 % sur la masse, vous ne le remarquerez peut-être même pas, " dit Hunter. " Mais si vous réduisez le volume de 30 pour cent, ce serait un gros problème, " dit-il :Les consommateurs sont très sensibles à la taille des appareils portables.
L'innovation est particulièrement importante pour les petits appareils, Chasseur dit, parce que d'autres technologies de stockage d'énergie, telles que les piles à combustible, piles, et les volants d'inertie - ont tendance à être moins efficaces, ou tout simplement trop complexe pour être pratique lorsqu'il est réduit à de très petites tailles. "Nous sommes dans un sweet spot, " il dit, avec une technologie qui peut fournir de grandes rafales de puissance à partir d'un très petit appareil.
Idéalement, Chasseur dit, il serait souhaitable d'avoir une densité de puissance volumétrique élevée (la quantité d'énergie stockée dans un volume donné) et une densité d'énergie volumétrique élevée (la quantité d'énergie dans un volume donné). "Personne n'a trouvé comment faire ça, " dit-il. Cependant, avec le nouvel appareil, "Nous avons une densité de puissance volumétrique assez élevée, densité d'énergie moyenne, et à petit prix, " une combinaison qui pourrait être bien adaptée à de nombreuses applications.
Le niobium est un matériau assez abondant et largement utilisé, Mirvakili dit, l'ensemble du système doit donc être peu coûteux et facile à produire. "Le coût de fabrication est bon marché, " dit-il. D'autres groupes ont fabriqué des supercondensateurs similaires en utilisant des nanotubes de carbone ou d'autres matériaux, mais les fils de niobium sont plus solides et 100 fois plus conducteurs. Globalement, Les supercondensateurs à base de niobium peuvent stocker jusqu'à cinq fois plus d'énergie dans un volume donné que les versions à nanotubes de carbone.
Le niobium a également un point de fusion très élevé - près de 2, 500 degrés Celsius - les dispositifs fabriqués à partir de ces nanofils pourraient donc potentiellement convenir à une utilisation dans des applications à haute température.
En outre, le matériau est très flexible et pourrait être tissé dans des tissus, permettre des formes portables; les nanofils de niobium individuels ne mesurent que 140 nanomètres de diamètre, soit 140 milliardièmes de mètre de diamètre, ou environ un millième de la largeur d'un cheveu humain.
Jusque là, le matériau a été produit uniquement dans des appareils à l'échelle du laboratoire. L'étape suivante, déjà en cours, est de comprendre comment concevoir une pratique, version facile à fabriquer, disent les chercheurs.
"Le travail est très important dans le développement de tissus intelligents et de futures technologies portables, " dit Geoff Spinks, professeur d'ingénierie à l'Université de Wollongong, en Australie, qui n'a pas été associé à cette recherche. Ce papier, il ajoute, « démontre de manière convaincante les performances impressionnantes des supercondensateurs à fibre à base de niobium. »
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
